O método térmico foi o primeiro a ser empregado, por Eguchi, na formação de eletretos; os materiais carregados por este procedimento são chamados termoeletretos. O método consiste do “congelamento” de dipolos moleculares que haviam sido alinhados pela aplicação de um forte campo elétrico, e de cargas elétricas que haviam sido “injetadas” no material a ser carregado. O campo elétrico aplicado nos eletrodos (Figura 2.3.1.1) só pode ser removido após o esfriamento da amostra. Heterocargas em tais eletretos podem ser associadas com esta polarização de orientação e as homocargas
48 às cargas injetadas, devido ao espaço entre o eletrodo e o dielétrico durante a aplicação do campo elétrico.
Figura 2.3.1.1 - Representação esquemática do método térmico de carregamento.
Dependendo dos parâmetros do material empregado e da configuração do carregamento, como intensidade do campo aplicado e contato dos eletrodos com a amostra, podem ocorrer diferentes tipos de carregamento. Se o carregamento é realizado com os eletrodos separados da amostra por um gap de ar, este será preferencialmente de
cargas livres injetadas na superfície. Já com os eletrodos em contato com a amostra, o
carregamento será preferencialmente de polarização no volume.
A vantagem dos métodos térmicos é a estabilidade, de cargas ou de polarização, alcançada. As desvantagens são as pequenas não uniformidades da distribuição de carga lateral no caso dos carregamentos em que existe um “gap” de ar entre o eletrodo e o dielétrico, e a lentidão do processo (SESSLER, 1982)
Propriedades dos Termoeletretos
Como já mencionado, os termoeletretos podem propiciar o surgimento de heterocargas e homocargas. Após a estabilização destas cargas e considerando que não sejam submetidos a fatores externos, como a elevadas temperaturas, os termoeletretos retém cargas por um longo período de tempo.
49 A Figura 2.3.1.2 mostra as mudanças, em temperatura ambiente, na densidade superficial de carga de termoeletretos obtidos de poli-metacrilato de metila usando a mesma temperatura de carregamento, mas com diferentes intensidades do campo (Ep) responsável pela polarização.
Figura 2.3.1.2 - Mudanças na densidade de carga de superfície de termoeletretos formados de poli- metacrilato de metila à temperatura ambiente; durante a polarização todos os eletretos foram carregados à mesma temperatura, mas o campo Ep aplicado foi variado (HILCZER, BLASZCZYK, GODERSKA, 1968).
Como pode ser visto da Figura 2.3.1.2, o tipo de carregamento também está ligado a intensidade do campo aplicado. Eletretos formados em campos inferiores a 1 MV/m exibem apenas heterocargas que decaem rapidamente. Já eletretos carregados com campos superiores a 1 MV/m, são também carregados com homocargas que apresentam um maior tempo de decaimento.
O tempo de despolarização também depende fortemente da temperatura TA em
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Figura 2.3.1.3 - Mudanças na densidade de carga de superfície de termoeletretos feitos de poli-metacrilato de metila e armazenados à diferentes temperaturas TA. Os eletretos foram carregados nas mesmas
condições EP = 1,15 MV/m, TP = 150 °C (HILCZER; MALECKI, 1986).
As amostras de PMMA foram carregadas nas mesmas condições, mas armazenadas à diferentes temperaturas. Quanto maior for a temperatura de armazenamento, mais rapidamente ocorre a despolarização da amostra (HILCZER; MALECKI, 1986).
2.3.2 Corona
Uma alta tensão é aplicada no eletrodo ponta (Figura 2.3.2.1), propiciando ionização no ar em volta deste, o produto desta ionização que tenha sinal igual ao aplicado no eletrodo irá se mover em direção à amostra seguindo as linhas de campo formadas. Assim as cargas que são depositadas se acumulam na superfície do dielétrico aumentando sua densidade de carga.
Devido à concentração das linhas de campo no centro da amostra o carregamento não é homogêneo. Para obter tal homogeneidade instala-se uma tela metálica entre o eletrodo superior e a amostra.
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Figura 2.3.2.1 - Diagrama do sistema de carregamento do método corona
O carregamento corona é limitado por fenômeno de breakdown, assim se
tomarmos o valor típico de 3 MVm-1 para a tensão de breakdown do ar, a densidade de
carga uniforme máxima que pode ser obtida será de 54 µCm-2. Na prática é difícil conseguir mais que 10 µCm-2 devido à proximidade do eletrodo com a amostra, que tende a focalizar o campo e iniciar as faíscas (BLYTHE; BLOOR, 2005).
O método tem as vantagens de ser facilmente implementado e de ser executado rapidamente. Sendo realizado à temperatura ambiente, a estabilidade térmica dos eletretos carregados pelo método corona é inferior à dos termoeletretos (SESSLER, 1982).
Propriedades do Método Corona
Estudos com amostras de Teflon® PTFE (BAMJI; KAO; PERLMAN, 1979)
aquecidas a uma temperatura desejada, submetidas ao carregamento corona de 5 a 90 s e então esfriadas à temperatura ambiente em aproximadamente 3 minutos, demonstraram uma melhora na estabilidade de cargas em relação às amostras sem nenhum tratamento. As medidas foram realizadas pelo método TSD, em que o potencial de superfície das amostras é medido enquanto essas são aquecidas a uma taxa de 2 °C/min.
52 A Figura 2.3.2.2 apresenta os dados de amostras de PTFE, carregadas à temperatura ambiente pelo método corona à diferentes potenciais negativos e medidas pelo TSD. A temperatura em que se inicia a despolarização das amostras (~120 °C) independe da tensão aplicada no carregamento (BAMJI; KAO; PERLMAN, 1979).
Figura 2.3.2.2 - Medidas de Despolarização termicamente estimulada de Teflon® PTFE carregado
negativamente à temperatura ambiente. (1) Potencial corona 7,5 kV por uma fração de segundo. (2) Potencial corona 8,5 kV, carregado por uma fração de segundo. (3) Potencial corona 7,9 kV carregado por trinta segundos (BAMJI; KAO; PERLMAN, 1979).
A Figura 2.3.2.3 apresenta dados de medidas TSD para amostras de PTFE carregadas à diferentes temperaturas. Para amostras carregadas entre a temperatura ambiente e 180 °C, nenhuma diferença é observada na temperatura em que ocorre a despolarização durante a medida. Já para temperaturas de carregamento superiores a 250 °C, a temperatura em que ocorre a despolarização durante a medida TSD, é maior quanto maior for a temperatura de carregamento. Por exemplo, a amostra carregada à temperatura ambiente tem metade de seu potencial de superfície inicial a ~185 °C, enquanto as amostras carregadas a 250 °C e 300 °C, apresentam metade do decaimento de seu potencial de superfície inicial em 250 °C e 312 °C, respectivamente. Esta melhora na estabilidade das cargas foi atribuída à possibilidade da probabilidade de captura e escape das cargas estar relacionada à temperatura de carregamento, onde as “armadilhas” tendem a se tornar mais profundas quanto maior for esta temperatura (BAMJI; KAO; PERLMAN, 1979).
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Figura 2.3.2.3 - Medidas de Despolarização Termicamente Estimulada de Teflon® PTFE carregado
negativamente pelo método corona ao mesmo potencial corona (9,5 kV) e à diferentes temperaturas. 100 °C (9,5 kV, por uma fração de segundo); 180 °C (9,5 kV, 30 s); 250 °C (9,5 kV, 60 s); 300 °C (9,5 kV, 90 s) (BAMJI; KAO; PERLMAN, 1979).
A Figura 2.3.2.4 apresenta medidas de corrente termicamente estimulada (TSC-
Thermally Stimulated Current) de amostras de Teflon® FEP aquecidas antes do
carregamento corona a 150 ºC pelo período de uma hora e então resfriadas e carregadas à temperatura ambiente. Como é possível observar da Figura, amostras previamente aquecidas a 150 °C despolarizaram à temperatura de ~140 °C, enquanto amostras sem nenhum tratamento térmico, a despolarização ocorreu em torno de 70 °C. Isto demonstra que as amostras de FEP aquecidas também apresentavam melhor estabilidade do que amostras sem nenhum tratamento. Esta melhora foi atribuída à geração de “armadilhas” mais profundas e consequentemente mais estáveis (IKEZAKI; HATTORI; ARIMOTO, 1977).
Figura 2.3.2.4 - Medida TSC de amostras de Teflon® FEP. (1) Sem nenhum tratamento. (2) Aquecidas a
54 2.3.3 Método de Carregamento Impulsivo
O método consiste na aplicação de um pulso de tensão em um eletrodo enquanto um segundo é aterrado. Entre estes eletrodos, e separado por um pequeno gap de ar do eletrodo superior, é colocado o dielétrico que se deseja carregar (Figura 2.3.3.1). A aplicação do pulso de tensão gera uma ddp entre o eletrodo superior e a superfície da amostra, se esta for maior que a tensão (VC) necessária para realizar a ruptura dielétrica do ar, então ocorrerá as descargas que depositarão cargas na superfície do polímero (Figura 2.3.3.2).
Figura 2.3.3.1 - Representação do dispositivo utilizado no carregamento pelo método impulsivo (ALTAFIM, 1992a).
Figura 2.3.3.2 - Diagrama esquemático do carregamento, onde os eletrodos são separados por um gap de ar, σ(t) é a densidade de carga de superfície, ε e ε0 são a permissividade do dielétrico e do ar
respectivamente, VS (t) e Vg (t) são o potencial no eletreto e o potencial o gap de ar, respectivamente e
V(t) é a tensão aplicada (ALTAFIM, 1992b).
O método possui a vantagem de carregar rapidamente as amostras e de ser facilmente controlável.
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Propriedades do Método de Carregamento Impulsivo
A medida da densidade de carga na superfície está apresentada na Figura 2.3.3.3.
As amostras de Teflon® FEP de 50 µm e com um lado metalizado foram carregadas à
temperatura (~25 °C) e pressão (100 kPa) ambiente com umidade relativa do ar entre 50 % e 60 %. A Figura 2.3.3.3 mostra que o método propicia um carregamento homogêneo, onde a densidade de carga depositada aumenta com o aumento da tensão aplicada. (ALTAFIM, 1992b)
Figura 2.3.3.3 - Distribuição do potencial equivalente de superfície. Os picos de tensão usados no carregamento foram de 1,1 kV e 1,7 kV (ALTAFIM, 1992b).
Altafim (ALTAFIM, 1992b) realizou medidas do potencial equivalente de superfície de amostras carregadas para diferentes picos de tensão aplicados (Figura 2.3.3.4), observando três regiões do gráfico, a primeira em que Vp < 0,87 kV e que não foi suficiente para produzir as descargas no gap de ar, a segunda em que 0,87 kV < Vp < 1,9 kV, onde o carregamento apresenta uma dependência linear com a tensão aplicada e a terceira (Vp > 1,9 kV), em que o carregamento da amostra apresenta uma saturação
(VS ~ 870 V). Quando Vp > 5 kV o carregamento não é uniforme e o valor de VS não
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Figura 2.3.3.4 - Dependência do potencial de superfície VS pelo pulso de tensão VP (ALTAFIM, 1992b).